基于LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)通信的海上作業(yè)人員定位系統(tǒng)研究

郭建新 李智 黃祥聲 李達(dá)

我國海上風(fēng)能資源豐富，依托于技術(shù)進(jìn)步及政策扶持，目前，海上風(fēng)電場建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入加速發(fā)展階段。與此同時(shí)，海上風(fēng)電工程建設(shè)中存在的施工人員對于海上求生和安全技能掌握水平參差不齊、海上信息孤島、海上氣象條件復(fù)雜等問題愈加凸顯。因此，對海上風(fēng)電施工及維護(hù)人員的安全監(jiān)控管理和應(yīng)急救援管理方式進(jìn)行優(yōu)化是一項(xiàng)極其重要的工作。

目前，涉海工程項(xiàng)目救援定位工作主要依靠北斗定位通信鏈路技術(shù)和AIS-MOB（AIS便攜式應(yīng)急示位標(biāo)）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。海上作業(yè)人員日常定位管理主要通過使用射頻RFID或者二維碼主動(dòng)打卡方式實(shí)現(xiàn)，但因作業(yè)人員經(jīng)常存在漏打卡情況，而導(dǎo)致日常作業(yè)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確。AIS-MOB作為AIS-SART技術(shù)的應(yīng)用延伸，主要安裝于個(gè)人救生衣或隨身攜帶，在遇險(xiǎn)時(shí)發(fā)出個(gè)人報(bào)警信號(hào)和位置信息等，附近船舶通過船舶上配置的AIS系統(tǒng)開展搜救工作。根據(jù)國際海事組織（IMO）的相關(guān)規(guī)定，AIS-MOB設(shè)備需要配置唯一的9位標(biāo)識(shí)進(jìn)行統(tǒng)一管理，受到標(biāo)識(shí)數(shù)量的限制，AISMOB主要作為遇險(xiǎn)搜救定位終端?；诒倍废到y(tǒng)全球定位覆蓋、精確授時(shí)和短報(bào)文遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，其在海洋工程項(xiàng)目人員管理和人員定位搜救等方面已經(jīng)開展應(yīng)用，但由于北斗短報(bào)文通信費(fèi)用較高和高精度定位需要收費(fèi)等原因，出于成本考慮，其并不適于大規(guī)模部署應(yīng)用。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，LoRa無線物聯(lián)通信技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。LoRa網(wǎng)絡(luò)在城市路燈管理、城市資產(chǎn)定位、共享單車追蹤定位、社區(qū)門禁和遠(yuǎn)程抄表等場景中得到廣泛應(yīng)用。由于人員定位對于數(shù)據(jù)傳輸量要求并不大，定位工卡接收到的定位信息可以通過LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，本文提出基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)+藍(lán)牙定位+LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)通信的海上人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)海上人員日常自動(dòng)定位，消除漏打卡現(xiàn)象，降低通信成本，且不需要占用公共資源。

項(xiàng)目概況及需求分析

興化灣海上風(fēng)電場中心離岸距離為5km，風(fēng)電場海域覆蓋面積約40km2，海上施工期涉及船舶數(shù)量最多可達(dá)20艘，涉及人員數(shù)量最多可達(dá)100人。由于海上通信信號(hào)不穩(wěn)定，部分作業(yè)人員海上求生和安全技能掌握水平不高，海上應(yīng)急救援力量不足。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推進(jìn)人與人、人與物、物與物全面聯(lián)系的智慧海上風(fēng)電場的建設(shè)，可對海上作業(yè)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，及時(shí)掌握人員狀態(tài)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對人員的安全行為管理、精準(zhǔn)定位管理和應(yīng)急救援管理，為海上風(fēng)電工程安全施工提供技術(shù)支持和保障。在人員定位管理系統(tǒng)開發(fā)的過程中存在以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：

（1）離岸較遠(yuǎn)，4G網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋，需要自組網(wǎng)。

（2）海上風(fēng)電場施工海域廣闊，在選擇網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候需要考慮覆蓋范圍廣的單基站。

（3）海上施工環(huán)境惡劣，不便于布網(wǎng)布電，需要減少部署基站數(shù)量，減少布網(wǎng)布電工程。

（4）海上施工期船舶數(shù)量和人員數(shù)量眾多，需要采用能夠支持多終端接入的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

（5）海上人員主要依托船舶完成各作業(yè)平臺(tái)直接的運(yùn)輸，需要在高速移動(dòng)過程中保證通信的穩(wěn)定性。

（6）海上作業(yè)人員出海作業(yè)隨身攜帶工具較多且作業(yè)時(shí)間長，定位終端設(shè)備需要具備便攜性和低功耗、長待機(jī)的特點(diǎn)。

（7）需要以低成本的組網(wǎng)方式開展人員定位管理。

LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)通信的適用性分析

LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。LoRa基站之間組網(wǎng)符合LoRaWAN協(xié)議，LoRaWAN是LoRa聯(lián)盟推出的一個(gè)基于開源MAC層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）標(biāo)準(zhǔn)。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接，終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信。

LoRa通信系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)（定位標(biāo)簽）、傳送網(wǎng)關(guān)（基站）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)四個(gè)部分：系統(tǒng)首先完成對用戶傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)傳送到LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，然后由用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器與用戶應(yīng)用系統(tǒng)對接，完成數(shù)據(jù)上報(bào)。

LoRa技術(shù)可滿足海上人員定位管理對于遠(yuǎn)距離、少布網(wǎng)、多終端接入、低功耗、高穩(wěn)定性和低成本組網(wǎng)等技術(shù)的需要，其具備的技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）單基站覆蓋范圍廣。在城市環(huán)境中可以達(dá)到2～3km的通信距離，在郊區(qū)環(huán)境中可以達(dá)到5～10km。在良好天氣情況下，實(shí)測海上LoRa單基站（安裝高度60m以上）覆蓋半徑可達(dá)15km。

（2）支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大。理論上，每個(gè)網(wǎng)關(guān)每天可以處理500萬次各節(jié)點(diǎn)之間的通信（假設(shè)每次發(fā)送10Bytes，網(wǎng)絡(luò)占用率10%），只需要少量的網(wǎng)關(guān)基站即可支持終端之間的遠(yuǎn)距離傳輸。

（3）LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)弱電施工成本非常低，只有少數(shù)LoRa基站網(wǎng)關(guān)需要供網(wǎng)供電，特別適用于海上不適合布網(wǎng)布電的環(huán)境。

（4）通過LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，無線數(shù)據(jù)采集不依托運(yùn)營商2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)或者WiFi網(wǎng)絡(luò)。

（5）數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定、可靠。通過間歇工作模式控制，支持將海量終端連接到中心平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和設(shè)備之間數(shù)據(jù)采集和命令下發(fā)的雙向通信。

（6）高接收靈敏度、低功耗。LoRa使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，接收靈敏度最高可達(dá)-148dBm，在20dBm的發(fā)射功率下，鏈路預(yù)算高達(dá)168dB；其接收電流僅10mA，待機(jī)電流20μA，大大延長了電池的使用壽命。

（7）相比于GSM/GPRS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433、868、915MHz等，因此，不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)營商通信費(fèi)用，可實(shí)現(xiàn)低成本自組網(wǎng)絡(luò)。

海上作業(yè)人員定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本項(xiàng)目LoRa組網(wǎng)技術(shù)采用星型組網(wǎng)方式，終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。每個(gè)基站同時(shí)接收16路數(shù)據(jù)，減小了大量節(jié)點(diǎn)上行時(shí)數(shù)據(jù)沖突的概率。遵循LoRaWAN協(xié)議規(guī)范，可交叉組網(wǎng)，使用CN470-510MHz頻段。基于LoRa線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的遠(yuǎn)距離傳輸，適合在需要部署少量基站且滿足大范圍海域覆蓋的情況下應(yīng)用。

本系統(tǒng)主要由人員定位工牌、船用網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙（iBeacon）信標(biāo)、LoRa通信基站、物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器等組成。

一、定位工牌和藍(lán)牙信標(biāo)

本系統(tǒng)通過海上工作人員佩戴基于北斗/GPS衛(wèi)星定位和藍(lán)牙定位技術(shù)的定位工牌，進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。定位工牌在海上風(fēng)電海域及碼頭空曠區(qū)域接收衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行定位，在無北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào)的密閉區(qū)域內(nèi)，接收部署的藍(lán)牙信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行定位標(biāo)定，系統(tǒng)根據(jù)藍(lán)牙信標(biāo)的位置自動(dòng)綁定人員所屬區(qū)域。

1. 室外衛(wèi)星定位技術(shù)

二、LoRa通信基站和船用網(wǎng)關(guān)

采用LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，通過布設(shè)在產(chǎn)業(yè)園樓頂、海上風(fēng)電機(jī)組和船舶等區(qū)域的基站和船用網(wǎng)關(guān)，與每個(gè)海上工作人員佩戴的電子定位標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，接收定位信息，并發(fā)送控制命令。

在船舶區(qū)域，工卡與船用定位網(wǎng)關(guān)的通信采用點(diǎn)對點(diǎn)LoRa通信模式，在接收到船用藍(lán)牙信標(biāo)的激活信號(hào)后，工卡借助船用定位網(wǎng)關(guān)跟基站通信，平臺(tái)根據(jù)此信息獲取船艙內(nèi)工卡的實(shí)時(shí)定位信息。

三、物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器

LoRa基站可以通過移動(dòng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)連接到云平臺(tái)服務(wù)器，經(jīng)云平臺(tái)服務(wù)器計(jì)算和處理后，在PC端顯示人員定位信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控人員對海上風(fēng)電場現(xiàn)場人員定位信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

海上作業(yè)人員定位系統(tǒng)功能設(shè)定

本系統(tǒng)集成了室外北斗/GPS定位，室內(nèi)藍(lán)牙低功耗定位技術(shù)，通過將其與LoRa低功耗物聯(lián)網(wǎng)通信相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對各種場所人員及資產(chǎn)的定位追蹤。符合LoRaWAN標(biāo)準(zhǔn)的LoRa通信網(wǎng)關(guān)可以接入5～10km內(nèi)上萬個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)輪詢的通信模式，也能大幅度降低節(jié)點(diǎn)通信功耗。船用LoRa網(wǎng)關(guān)每秒可以采集20組iBeacon信息，30秒上傳一次船上標(biāo)簽信息，所以，每艘船可以保證上百人的iBeacon標(biāo)簽信息采集。

海上人員定位系統(tǒng)功能設(shè)定如圖3所示：通過部署LoRa基站自組網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從碼頭到海上風(fēng)電場的信號(hào)覆蓋，對現(xiàn)場作業(yè)人員攜帶定位工卡乘船從碼頭出發(fā)到達(dá)風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)、完成作業(yè)后再回到施工碼頭的全過程進(jìn)行跟蹤，定位軌跡應(yīng)用效果如圖4所示；通過設(shè)置電子圍欄，可實(shí)現(xiàn)對特定區(qū)域人員安全行為的管理；當(dāng)發(fā)生應(yīng)急事件時(shí)，通過對人員的數(shù)量統(tǒng)計(jì)，查看人員集結(jié)情況，并通知船舶開展應(yīng)急救援，實(shí)現(xiàn)人員應(yīng)急救援管理。

結(jié)論與探討

本文在充分了解海上人員定位管理需求的基礎(chǔ)上，探討了 LoRa 無線物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)在海上人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過該定位系統(tǒng)可提升對海上人員信息的管理效率、降低管理成本。隨著海上風(fēng)電項(xiàng)目的規(guī)模、水深及離岸距離的增加，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行不斷的優(yōu)化及提升。結(jié)合當(dāng)前的研究成果，今后研究的重點(diǎn)方向包括：

（1） 本文僅針對離岸20km海域項(xiàng)目開展研究，今后可以對系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性予以重點(diǎn)研究，讓系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)其在離岸40～80km項(xiàng)目上的應(yīng)用。

（2） 本文并沒有將系統(tǒng)中基站及網(wǎng)關(guān)的數(shù)量與最佳部署位置作為重點(diǎn)進(jìn)行研究，后續(xù)可以對定位數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的部署成本開展深入研究。

（3） 可以對LoRa通信技術(shù)進(jìn)行功能拓展的研究，實(shí)現(xiàn)其在海洋資產(chǎn)管理、海洋信息傳輸方面的應(yīng)用。

（作者單位：郭建新，李智：長江三峽集團(tuán)福建能源投資有限公司；黃祥聲，李達(dá)：福建省新能海上風(fēng)電研發(fā)中心有限公司）